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1、目录摘要21 设计任务与分析 31.1 设计任务 31.2 任务分析 32 设计原理 42.1 双闭环系统简介 42.1.1 双闭环系统的组成 42.1.2 双闭环系统原理图 42.1.3 双闭环系统稳态结构图 52.1.4 双闭环系统动态结构图 52.1.5 转速调节环作用 52.1.6 电流调节环作用 62.2 调节器的工程设计方法 63. 系统调节器设计 73.1 转速、电流调节器设计 73.2 电流环设计 83.2.1 电流环结构设计 83.2.2 电流环参数设计 103.3 转速环设计 123.3.1 转速环结构设计 123.3.2 转速环参数设计 144. Matlab 仿真164
2、.1 启动电流启动转速仿真波形 174.2直流电压U 仿真波形18d4.3 ASR输出电压的仿真波形 194.4 ACR输出电压的仿真波形 19总结 20 参考文献 21摘要转速、电流反馈控制的双闭环直流调速系统是静、动态性能优良、应用最 广泛的直流调速系统。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在 外面，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良 好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器。调速系统设 计的任务主要是合理地选择调节器的结构和参数，以使系统的性能指标满足生 产工艺的要求。本课程设计根据设计任务书的要求来完成直流双闭环调速系统的设计
3、，其 中包括绘制该系统的原理图、稳态结构图和动态结构图；对调节器进行工程设 计，确定调节器的参数等；最后采用 MATLAB 对双闭环系统进行仿真计算。 关键词：双闭环系统 电流调节器 转速调节器 MATLAB 仿真调速系统调节器设计及恒负载扰动下电流环突然断线 matlab 仿真1 设计任务与分析1.1 设计任务不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控 整流电路。系统基本数据如下：直流电动机：U =220V, I =136A, n =1460r/min,nomnomnomC =0.132V min/r，允许过载倍数九=1.5；时间常数：T =0.03seLT =0.18
4、s；晶闸管放大倍数：K =40ms电枢回路总电阻：R=0.5Q ；电流反馈系数0 =0.049V/A(- 10V/1.51);转速nom反馈系数：a =0.00685V min/r( - 10V/n )nom设计要求稳态指标：在负载和电网电压的扰动下稳态无静差。动态指标：电流超调量b 5%，空载启动到额定转速时的转速超调量ib E1CeASR5ACR图 2-2 双闭环系统稳态结构图 转速反馈系数0 电流反馈系数ACR电流调节器ASR转速调节器2.1.4 双闭环系统动态结构图图 2-3 双闭环系统动态结构图2.1.5 转速调节环作用(1) 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给
5、定电压U *变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。n2)对负载变化起抗扰作用。(3)其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.1.6 电流调节环作用(1) 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟 随其给定电压U(即外环调节器的输出量)变化。i(2) 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。( 3 )对转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程 ( 4 )当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作 用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说 是十分重要的2.2 调节器工程设计方法现代
6、的电力拖动自动控制系统，除电动机外，都是由惯性很小的电力电子 器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统可以近似为低阶系 统，而用运算放大器或微机数字控制可以精确地实现比例、积分、微分等控制 规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结 构。如果事先对这些典型系统做比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性 当作预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式 或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就 可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多，这就是 工程设计方法。调节器工程设计方法所遵循的原则是：(
7、 1 )概念清楚、易懂；( 2 )计算公式简明、好记；(3) 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；(4) 能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；(5) 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。如果要求更精确的动态性能，在典型系统设计的基础上，利用 MATLAB 或 SIMULINK 进行计算机辅助分析和设计，也可设计出实用有效的控制系统。作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路 是，把调节器的设计过程分作两步：第一步，先选择调节器的结果，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精 度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。 以上两
8、步就把稳、准、快、抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解 决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳态性的稳态精度，然后在第二步中再进 一步满足其他动态性能指标。控制系统的开环传递函数都可以表示成（2-1）系统含有 R 个积分环K 包（js +1） W （s）=十Sr H （TS +1）jj=1分母中的SR项表示该系统在s=0处有r重极点，或者说,节，称作 R 型系统。为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（R=0），至少是I型系统（r=1 ）；当给定是斜坡输入时，则要求是II型系统（r=2）才能实现稳 态无差。选择调节器的结构，使系统能满足所需的稳态精度。由于111型（r=3） 和III
9、型以上的系统很难稳定，而0型系统的稳态精度低。因此常把I型和II型 系统作为系统设计的目标。3 系统调节器设计3.1 转速、电流调节器设计转速、电流双闭环系统的动态结构图如图 3-1 所示ACRRT冷T图3-1双闭环系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入， 需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常 数T按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时， oi 滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道 上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的 转速反馈电压含有换
10、向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用T表示，根据on和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为T的给定滤波环 on节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器， 然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.2 电流调节器设计3.2.1 电流调节器结构设计图 3-1 所示虚线框内是电流环的动态结构图。其中，反电动式与电流反馈 的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动式与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数T远小 l于机电时间常数T ，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多。对电流环来 m说，
11、反电动势是一个变化缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即AE u 0。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反 电动势变化的动态影响。也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到忽 略电动势影响的电流环近似结构图，如图3-2 (a)所示。可以证明，忽略反电 动势对电流环作用的近似条件是：ci3JTT(3-1)m l式中3电流环开环频率特性的截止频率。ci 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为U*(s),0，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图3-2 (b)所示，从这 里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。由于T和T 一般都比匚小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性Soil环节，其时间常数为T = T + T(3-2)Z i s oi则电流环结构框图最终简化成图3-2 (c)所示。简化的近似条件为3 ci - 吾(3-3)ACR
